LA TURBINA A VAPORE NELLA PROPULSIONE NAVALE

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1 LA TURBINA A VAPORE NELLA PROPULSIONE NAVALE La propulsione marina a vapore ha inizio nei primi decenni del Fino verso la fine del 1800 si usarono motrici alternative a vapore, sia con ruote a pale sia con accoppiamento all elica, adottando fino a quattro cilindri in serie, ovviamente di diametro crescente. La turbina a vapore trova la prima applicazione nel 1894 (nave Turbinia, 42t, turbina Parson da 2000 hp, nel 1897 raggiunge i 34 nodi: incominciò a manifestarsi il problema della cavitazione sull elica a causa della elevata velocità di rotazione). Si afferma definitivamente sulle motrici alternative solo nel secondo dopoguerra, grazie agli sviluppi della macchina dovuti a De Laval, Rateau e Curtis, e dopo aver risolto i seguenti problemi tecnici: compatibilità giri macchina giri elica; marcia indietro; rendimento troppo basso ai bassi carichi. La diffusione della turbina a vapore, almeno nella marina mercantile, cessa verso la fine degli anni 80 del secolo scorso, battuta dalla concorrenza dei motori Diesel in virtù dello sviluppo di questi ultimi e della crisi petrolifera. Qualche applicazione residua si ha nelle navi metaniere, data la grande adattabilità delle caldaie all utilizzo del Boil Off Gas BOG. Anche in questo settore però si sta sviluppando l adozione di motori alternativi, derivati dai Diesel. Oggi la turbina a vapore trova applicazione nelle marine militari per la propulsione di sommergibili nucleari e di portaerei. E possibile un ritorno all utilizzo più esteso della TV nella propulsione con cicli combinati gas vapore, magari abbinata al ritorno all uso del carbone quale combustibile. Una tipica TV per propulsione navale è costituita da due corpi con stadi ad azione e a reazione. Lo stadio AP ruota in media a giri/min mentre lo stadio BP ruota a giri/min. Le figure XIII.18 e XIII.19 (R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori Editore, Napoli) mostrano gli schemi semplificati di due impianti a vapore della Kawasaki. L accoppiamento all elica, che ruota a giri/min avviene con l interposizione di un riduttore il quale, per dimensioni, requisiti tecnologici e costo diventa il componente chiave del sistema propulsivo a TV, e ne ha accompagnato lo sviluppo. Dai riduttori a semplice riduzione, sviluppati inizialmente, si è passati, grazie ai progressi della metallurgia e della tecnologia produttiva delle ruote dentate, a riduttori a doppia e tripla riduzione con rapporti di riduzione complessivi fino a 60:1, rendendo possibile il funzionamento di ogni corpo con la velocità più idonea dal punto di vista termofluidodinamico. La figura XIII.12 (R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori Editore, Napoli) mostra gli schemi di un riduttore a semplice riduzione, con schema a tandem semplice e a doppio tandem. Con quest ultimo si può raddoppiare la coppia trasmessa a parità di dentatura, a patto che sia garantito il contatto contemporaneo e uniforme dei denti su ogni coppia di ingranamenti sui quali è ripartita la potenza di ogni corpo di turbina: questo richiede una estrema accuratezza costruttiva e di montaggio, e opportune soluzioni tecniche. La ruota lenta può avere diametri di 4 5 m e pesare decine di tonnellate. Gli ingombri del riduttore possono essere contenuti con l adozione di dispositivi epicicloidali, figure XIII.15 e XIII.17 (R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori Editore, Napoli) sviluppati verso la fine del 1960 nel tentativo di recuperare competitività alla propulsione a vapore: il peso si riduce del 40% e l ingombro del 30% circa. Il rendimento dei riduttori è molto elevato ( ), ma la potenza dissipata è comunque elevata in assoluto e richiede un circuito di raffreddamento dell olio lubrificante. Lo sviluppo di riduttori efficienti ad alto rapporto di riduzione ha consentito il progressivo aumento della velocità di rotazione delle turbine, quindi del salto entalpico elaborabile e di conseguenza della qualità del vapore. La pressione di vaporizzazione arriva a bar con temperatura di surriscaldamento di circa 500 C. Per avere rendimenti accettabili si adottano cicli rigenerativi con 4 5 spillamenti, compatibilmente anche con gli ingombri ammissibili. Il consumo specifico può arrivare a g/kwh, che corrispondono a rendimenti effettivi del 30% circa (notevolmente inferiori a quelli dei moderni motori Diesel). Si può citare il raffinato impianto studiato dalla Stal Laval nel 1978 con caldaia a letto fluido, vapore a 126 bar e 600 C, turbina a tre corpi con velocità massima del corpo di alta di giri/min. La riduzione del consumo rispetto agli impianti più tradizionali era del 5% circa.

2 Per quanto riguarda la regolazione della potenza, si adotta il sistema misto parzializzazione laminazione. Rispetto al caso degli impianti fissi, con velocità di rotazione costante di 3000 giri/min a 50Hz, bisogna considerare che nella propulsione navale la riduzione di potenza si accompagna alla riduzione della velocità della nave, e quindi alla riduzione dei giri di riduttore e turbina, come illustrato in figura XIII.27 (R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori Editore, Napoli). Per quanto riguarda la marcia indietro, essa è realizzata con una turbina dedicata, di potenza pari al 40% circa di quella della turbina propulsiva principale, normalmente calettata sullo stesso asse e allo scarico del corpo B.P., figura XIII.29 (R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori Editore, Napoli), per cui le perdite per ventilazione durante la marcia avanti sono modeste data la bassissima densità del vapore in cui è immersa.

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6 LA TURBINA A GAS NELLA PROPULSIONE NAVALE Utilizzata, con riferimento alle prime applicazioni sperimentali, dal Rispetto alle TV e ai motori Diesel ha ingombri e pesi molto minori, un numero ridotto di ausiliari, un installazione impiantistica più semplice. Le TG oggi sono macchine molto affidabili, non richiedono la sorveglianza di personale di macchina, possono raggiungere il carico massimo in 2 5 minuti contro i 20 minuti circa di un motore Diesel e le 3 4 ore di una TV. Il consumo di lubrificante è l 1% circa di quello di un motore Diesel di pari potenza, ma deve essere sintetico. Il montaggio e lo smontaggio a bordo della nave è agevole: il gruppo in manutenzione può essere rapidamente sostituito con uno già revisionato (ogni h di funzionamento: in proporzione il tempo di fermo nave è trascurabile). I difetti sono il consumo più elevato dei motori Diesel, in particolare ai bassi carichi, l elevata sensibilità alla variazione delle condizioni ambientali (se la temperatura ambiente passa da 25 C a 45 C la potenza si riduce del 20% circa e il consumo aumenta del 6 8%), l utilizzo di combustibili pregiati (Light Diesel Oil LDO per le aeroderivative, Marine Diesel Oil MDO e solo raramente Blended Marine Diesel Fuel, con al massimo il 20% di combustibile residuo, per le heavy duty). L installazione richiede accorgimenti particolari: l aria deve essere trattata con 2 3 filtri in serie per trattenere le gocce di acqua salmastra. Il sale si deposita sulle palette del compressore riducendone il rendimento e su quelle della turbina provocandone la corrosione. Poiché la velocità nei filtri deve essere molto bassa per aumentarne l efficienza e contenere le perdite di carico, essi sono molto ingombranti, così come i silenziatori in aspirazione e scarico, figura XIV.24 (R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori Editore, Napoli). L inversione di marcia si fa con eliche a passo variabile o con giunti inversori (sorta di giunti idraulici, ad olio, con interposizione tra pompa e turbina di palette statoriche deviatrici orientabili), non con turbine di retromarcia, come nel caso delle TV. Impiego più esteso nelle marine militari, nelle quali occupa oggi una posizione di grande rilevanza. E impiegata su tutti i tipi di navi militari tranne i sottomarini nucleari e le grosse portaerei, che sono propulse a vapore per le elevatissime potenze richieste e il funzionamento a vapore delle catapulte di decollo degli aerei. Si usano esclusivamente turbine di derivazione aeronautica (della Rolls Royce, Pratt Whitney, General Electric), per le prestazioni più elevate, figura XIV.58 (R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori Editore, Napoli). Nelle navi militari si distingue l andatura di crociera dall andatura a tutta forza, per cui si può pensare ad un apparato motore misto, di alto rendimento e lunga durata per la prima andatura e più leggero e di spinta (boost) per realizzare la seconda. Le combinazioni possibili sono: impianto a vapore più turbina a gas COSAG (Combine Steam And Gas); motore diesel più motore diesel CODAD (COmbined Diesel And Diesel); motore diesel più turbina a gas CODOG (COmbined Diesel Or Gas) & CODAG (COmbined Diesel and Gas); turbina a gas più turbina a gas COGOG (COmbined Gas Or Gas) & COGAG (Combined Gas And Gas). Impiego nella marina mercantile: esteso in particolare negli anni 70, fino al 1975, bloccato totalmente dalla crisi petrolifera, riapparso negli ultimi anni del secolo scorso grazie al forte sviluppo delle TG (aumento del rendimento, prima inferiore non solo ai Diesel ma anche alle TV marine) e alla aumentata richiesta di apparati propulsivi a forte concentrazione di potenza, per naviglio veloce (scelta obbligata per carene veloci, con velocità superiore ai nodi), e con basse emissioni inquinanti (sviluppo delle normative antinquinamento). Si usano anche turbine heavyduty (della General Electric), alimentate con combustibili gassosi o liquidi, non necessariamente distillati. Incominciano a diffondersi impianti di propulsione a ciclo combinato gas vapore, figura XIV.34 (R. Della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori Editore, Napoli). Il combustibile comunque non è metano, per cui la temperatura al camino non può essere troppo bassa, gli ingombri e la complessità impiantistica non possono essere quelli di un impianto terrestre, e quindi il rendimento è inferiore a 0.5 (contro lo 0.6 di un impianto combinato terrestre), minore quindi di un motore Diesel medium speed o low speed, che pesa però circa il doppio, a parità di potenza.

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